< 연구 결과요약서 >
소속학교 광덕고등학교 책임 지도교사 김○연 공동 지도교사 이○욱
참여학생 김○서, 오○협, 이○호, 한○규
과 제 명 과일 효소의 단백질 분해에 의한 연육 작용 탐구
연구목표
평소 급식에 나오는 고기가 너무 질기다는 학우들의 불만을 듣고 이를 개선하기 위한 방안을 찾고자 함. 효소의 활성과 관련된 현상을 찾아보고, 과일을 이용한 고기의 연육 작용에 대해 과학적으로 접근해 보고자 함.
연구내용
과일의 종류에 따른 분해 정도의 차이 비교 (증류수, 배, 키위, 레몬, 파인애플) 연육작용에 의해 아미노산으로 분해된 단백질을 가시적으로 확인하기 위해 닌히드린 용액을 사용하였다. 닌히드린 두 분자와 아미노산이 만나 아미노산이 분해되고, 닌히 드린이 질소를 중심으로 공유 결합하여 보라색을 띄는 분자가 된다는 점을 바탕으로 하였다.1차 실험의 측정 간격은 5분이였으며, 객관성을 위해 카메라를 사용하여 측정 할 때마다 따로 기록하였다. 초반 실험에 대한 결과로, 증류수에서는 색깔 변화가 없 었으며 배, 파인애플서만 색깔 변화가 나타났다. 하지만 레몬, 키위에서는 뚜렷하다 고 할 만큼의 변화가 나타나지 않았다. 초반 실험 결과를 바탕으로 실제 고기는 24시 간 이상 숙성하기 때문에 고기를 재우는 시간의 연장이 필요하다는 것과, 실제 육류 에 진행했을 때에는 결과가 다르게 나타날 수 있으므로 추후 실험에서는 실제 육류 를 이용한 실험을 진행해야 한다는 사실을 도출하였다. 실험 방식의 정정 및 실험 수 행 후 육안으로 재확인해 본 결과, 키위와 배에서 뚜렷한 연육작용이 관측되었다. 그 러나 핏물로 인한 색깔 관찰의 어려움으로 인해 다른 과일의 경우 그 정도를 측정하 는데 어려움이 있었다. 그래서 물리적으로 연육 정도를 확인하기 위한 객관적 지표로 전단력 실험을 추가 계획하였다. 실제 고기(돼지 앞다리살)를 같은 크기로 썰어 24h 연육, 그 후 추를 이용해 연육을 진행한 고기가 전단력에 견딜 수 있는 정도를 측정 하였다. 변인 통제를 위해 최대한 고기 결의 방향을 일정하게 잘라 실험하였으며, 과 일의 종류는 이전 실험에서 사용했던 동일한 종류를 사용하여 진행하였다.
연구성과
진행하였던 실험에서 실험결과가 균일 하지 못하는 경향이 있다는 사실을 도출 할 수 있었는데, 이는 과일의 신선도와 관련되어 있는 것으로 추정하였다.
(배>파인애플=레몬>>대조군 순서로 진행 하였는데, 레몬에서만 고기에 갈변 현상이 일어남을 확인할 수 있었고, 레몬에서의 갈변 현상은 미오글로빈으로 인한 갈변 현상 이었다). 또한 실험 결과 고기 결의 차이로 인해 결과가 부정확하게 나올 수 있다는 것을 알 수 있었다. 비록 모든 과일에서 일정 정도의 연육 작용이 일어나긴 하였으 나, 비교적 키위에서의 연육 작용이 가장 활발하게 일어난 것으로 확인되었다. 이것 으로 미루어 보아 키위에는 단백질 분해효소가 다량 함유되어 있을 것으로 분석하였 다. 다른 과일과의 연육 정도의 정확한 비교를 위해서는 과일의 신선도를 매 실험 일 정하게 유지하기 위한 과일의 특정한 보관 방법 등의 방안의 마련이 필요하다는 것 과, 전단력 내구성을 측정하는 과정에서 고기에 추를 직접 달아보는 데에 있어 불편 함을 겪었던 경험으로 미루어 보아 전단력 내구도 측정을 더욱 정확히 하기 위한 새 로운 장치 고안이 필요하다는 점을 알아 낼 수 있었다.
주요어
(Key words) 연육작용, 닌히드린, 단백질, 전단력, 단백질 분해
< 연구 결과보고서 >
1. 개요 □ 연구목적
○ 급식에 나오는 고기가 너무 질기다는 학우들의 불평을 듣고 이러한 문제를 개선하기 위한 방안을 고안하고자 하였다. 이 과정에서 명절에 갈비 등을 재울 때 과일을 사용한다는 점을 상기하여 과일을 통한 연육작용이 이를 해결해줄 수 있다 생각하고 본 연구를 진행하게 되었다. 본 연구를 통해 우리는 고기가 질긴 원인을 알고 이를 해결하여 급식의 질 향상에 기여하고자 한다.
□ 연구범위
○ 고기가 질긴 이유
- ‘콜라겐’이라는 단백질의 특성
○ 과일의 종류에 따른 연육 작용의 확인 방법 고안
-닌히드린 반응을 이용하여 단백질의 아미노산으로의 분해 관찰
-전단력에 관해 조사, 전단력 내구성을 연육 작용의 탐구 방법으로 선정
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 단백질은 생물의 몸을 구성하는 고분자 유기 물질이다. 단백질은 생물체 내의 구성 성분, 세포 안의 각종 화학반응의 촉매 역할(효소), 항체를 형성하여 면역을 담당하는 등 여러가지 형태로 중요한 역할을 수행한다. 수많은 아미노산의 연결체로 20가지의 서로 다른 아미노산 들이 펩타이드 결합이라고 하는 화학 결합으로 길게 연결된 것을 폴리펩타이드라고 한다.
단백질과 폴리펩타이드는 엄밀히 말하면 다른 분자이지만 경우에 따라 구분 없이 쓰이기도 한다. 일반적으로는 분자량이 비교적 작으면 폴리펩타이드라고 하며, 분자량이 매우 크면 단백질이라고 한다.
펩타이드 결합은 공유결합의 일종으로, 카복시기와 아미노기가 반응하여 형성되는 화 학 결합으로, 반응 중 물 분자가 생성되는 탈수 반응을 한다. 펩타이드 결합을 이루는 가장 대표적인 물질로 자연물로는 단백질이, 합성 인공물로는 나일론이 있다. 이들 물 질들은 펩타이드 결합이 연속적으로 반복되어 펩타이드 중합체라고도 불린다.
○ 효소는 생물의 세포 내에서 합성되어 소화·호흡 등, 생체 내에서 행해지는 거의 모든 화학 반응의 매체가 되는 고분자 화합물의 총칭이다. 효소는 단백질로만, 또는 단백질과 저분자 화합물로 이루어져 있다. 촉매하는 반응의 종류에 따라서 효소는 가수 분해 효소·
산화 효소·환원 효소 등 그 종류가 매우 많으며, 각각 특정한 생화학 반응에 대하여 특이적 으로 반응한다.
과일 안에 함유된 단백질 분해 효소를 통해 사람들은 고기를 부드럽게 만든다.
파인애플에서 얻는 브로멜라인(bromelain)과 파파야 라텍스로부터 추출하는 파파인 (papain), 키위에 들어있는 액티니딘(actinidin) 등이 이에 해당된다. 평소 키위 등을 많이 먹을 때 혀가 따끔한 느낌이 나는 것은 이 단백질 분해 효소 때문이다.
효소는 반응 형식에 따라 EC(Enzyme Commission number)를 이용하여 분류한다. 우리가 사용하는 과일의 효소는 EC 3.4, 즉 펩타이드의 가수분해 효소에 해당한다. 우선 키위의 Actinidain의 경우 EC 3.4.22.14에 해당하며, 펩티데이스 계열의 효소이고, 반응 원리가 파파야의 Papain (EC 3.4.22.2)와 비슷하다. 파인애플의 Bromelain(EC 3.4.22.32-Stem Bromelain, EC 3.4.22.33-Fruit Bromelain)은 펩티데이스 계열의 효소이고, 닭고기의 시스테 인 단백질에 의해 그 활동이 드물게 억제되는 경우가 있다. 따라서 본 연구는 닭고기를 연육 실험에 사용하지 않기로 하였다. 배의 Calpain(EC 3.4.22.52, EC 3.4.22.53)은
이온 을 보조 인자로 하는 단백질 분해 효소이다.○ 콜라겐은 인체에서 발견되는 가장 흔한 생체 고분자 단백질로서, 구조적인 면에서뿐만 아니라 생물학적인 기능면에 있어서도 이 물질의 중요성이 증가되고 있다. 이 단백질은 X-Y-Gly의 반복과정으로 이루어진 폴리펩타이드 사슬로 이루어졌으며, 3개의 폴리펩 타이드 사슬이 삼중 나선구조를 만들고, 이들이 다시 복합체를 만들면서 특징적인 거대 한 3차원적 분자를 이룬다. 콜라겐 섬유는 섬유아세포라고 불리는 특수 생산 세포에 의해 형성된다. 섬유아세포는 프로콜라겐을 생산하며, 프로콜라겐은 코일에서 차례 대로 생화학적으로 변형되고 서로 얽히면서 강하고 유연한 콜라겐 섬유를 형성한다.
○닌히드린은 분자식
, 분자량 178.14의 흰색 고체이다. 닌히드린 용액은 아미노산 등의 검출 및 정량을 위한 닌히드린반응에 사용하는 시약으로, 닌히드린 두 분자와 아미노 산이 만나 아미노산이 분해되고 닌히드린이 질소를 사이에 두고 공유결합으로 연결되어 보라색을 가진 한 분자가 된다. 닌히드린 반응은 원래의 경우 단백질을 아미노산으로 분해하기 위해 가열하여 사용하지만, 본 연구는 아미노산 자체의 반응을 보는 것이므로 가열의 제약 없이 닌히드린 반응을 사용할 수 있다.- 뷰렛 반응(단백질 검출) : 두 개 이상의 펩타이드 결합을 가지고 있는 화합물들이 알칼리 성 용액에서 황산구리로 처리하면 자주색을 띠는 물질을 생성
- 닌히드린 반응(아미노산 검출) : 닌히드린을 아미노산 수용액에 가하면 청색 혹은 보라색으로 변하는 발색 반응/아미노기의 작용에 의해 닌히드린 2분자가 축합하여 아미노산의 종류에 따른 특유한 색을 나타냄
○ 물체를 절단하는 일. 물체의 어떤 단면에 평행으로 서로 반대 방향에 한 쌍의 힘을 작용시키면 물체는 그 면을 따라 미끄러져서 절단되는 작용을 받는다. 이것을 전단작용이 라 하고, 이와 같은 작용이 미치는 힘을 전단력이라고 한다. 전단력에 의해서 물체 내부의 단면에 생기는 내력을 전단변형력이라고 하며, 단위면적당의 힘으로 표시된다. 이 전단되 는 면을 따라서 미소한 직사각형을 생각하면, 전단력에 의해 이 직사각형은 평행사변형으 로 변형되는데, 이것을 전단변형이라고 한다. 전단력은 재료 내의 서로 접근한 두 평행면 에 크기는 같으나 반대 방향으로 작용하는 힘을 의미한다.
닌히드린의 반응 히스티딘(청색)과 프롤린(오렌지색)의 반응
□ 연구주제의 선정
○ 학교 급식의 조사
-학교 급식에 나오는 고기의 경우 살코기가 많으며, 대량으로 조리하는 특성 상 조리
시 육질의 관리가 어려웠으며, 고기를 잘 연육하지 않는 것으로 확인되었다.□ 연구 방법
○ 연육 작용을 위한 과일의 선정
-정육점 사장님들께 자문을 구하고, 시중에서 구하기 쉬운 과일로 선정하여, 배, 키위, 레몬, 파인애플을 선정하였다. 정육점 3곳 중 3곳의 사장님 모두 키위의 연육 작용이 제일 활발할 것이라고 하셨다.
○연육 작용의 화학적 확인
-과일에 재운 콜라겐 타블렛의 닌히드린 반응 속도를 관찰한다. 이때, 과일의 경우 그 양을 맞추기 위해 과일 즙을 사용하여 실험을 진행한다.
-과일 즙에 재운 실제 고기(돼지고기 앞다리살)을 이용하여 닌히드린 반응 속도를 관찰 한다.
○ 연육 작용의 물리적 확인
-과일에 재운 실제 고기가 전단력에 견디는 정도를 측정한다. 이때, 고기의 크기, 두께, 결 등을 최대한 일정하게 유지하여 변인을 통제한다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 가설 설정
- 정육점 사장님들의 말씀에 따라 ‘키위’의 연육 작용이 가장 활발할 것이라고 생각하 였다. 이후 시중에서 많이 사용되는 배, 파인애플, 레몬의 순서대로 연육 작용이 활발할 것으로 예상했다.
○ 실험 설계 및 과정
A. 콜라겐 타블렛의 닌히드린 반응 실험
ㄱ. 4가지 과일(키위, 배, 파인애플, 레몬)즙과 증류수(대조군)에 콜라겐 타블렛과 닌히드린 용액을 넣는다.
ㄴ. 이후 5분 간격으로 닌히드린 용액 반응 여부를 관찰한다.
B. 돼지고기 앞다리살의 닌히드린 반응 실험
ㄱ. 4가지 과일(키위, 배, 파인애플, 레몬)즙과 증류수(대조군)에 돼지고기 앞다리살 조각과 닌히드린 용액을 넣는다.
ㄴ. 이후 24h 간격으로 2일간 닌히드린 반응 여부를 관찰한다.
C. 돼지고기 앞다리살의 전단력 내구성 측정 실험
ㄱ. 4가지 과일(키위, 배, 파인애플, 레몬)즙과 증류수(대조군)에 돼지고기 앞다리살 을 넣고 숙성시킨다.
ㄴ. 고기의 결을 맞추어 한 쪽 끝을 집게로 고정하여 매달고, 한 쪽 끝을 다른 집게로 고정하여 추의 무게를 100g 씩 늘려가며 15s씩 유지하며 고기가 추의 질량에 견디는 정도를 측정한다.
ㄷ. 이후 찢어진 고기의 모습을 확인한다.
○실험 결과
실험 A. 콜라겐 타블렛의 닌히드린 반응 실험
ㄱ. 배, 파인애플에서는 명확한 색깔 변화가 나타났으며, 키위, 레몬에서는 명확한 색깔 변화가 나타나지 않았다.
ㄴ. 실제 고기의 숙성은 24h 이상 진행되므로 시간 연장이 필요했다.
ㄷ. 실제 육류에서는 결과가 다르게 나타날 수 있으므로 실제 육류를 사용한 실험이 필요함을 느꼈다.
실험 B. 돼지고기 앞다리살의 닌히드린 반응 실험
ㄱ. 육안 확인 결과, 키위와 배에서 뚜렷한 연육 작용이 관측되었다.
ㄴ. 다른 과일의 경우, 핏물로 인해 닌히드린 반응의 정도를 관측하기가 어려웠다.
ㄷ. 연육 작용을 확인하기 위한 객관적 지표로 전단력 내구성 실험을 계획하였다.
실험 C. 돼지고기 앞다리살의 전단력 내구성 측정 실험
ㄱ. 대조군과의 비교를 통해 모든 과일에서 어느 정도의 연육 작용이 일어났음을 알 수 있다.
ㄴ. 키위에서 연육 작용이 가장 활발하게 일어났다. 즉, 단백질 분해 효소의 영향이 가장 클 것이다.
ㄷ. 레몬에서만 숙성 과정에서 고기의 갈변 작용이 일어났다.
추의 질량 대조군 레몬 파인애플 배 키위
100 X X X X X
200 X X X X X
300 X X X X X
400 X X X X O(3s)
500 X X X X -
600 X X X O -
700 X X X - -
800 X O O - -
900 X - - - -
1000(g) O(12s) - - - -
ㄹ. A, B, C 실험 결과의 일정하지 못하는 경향은 과일의 신선도와 관련되어 있는 것으로 추정된다.
○ 종합
-3가지의 실험에서 결과가 일정하지는 않았으나, 대체로 키위와 배에서 연육작용이 활발 하게 일어났다.
-실제 고기 연육과 조건을 비슷하게 하기 위해서는 장시간 연육이 지속되어야 한다.
-실제 고기로 시험관 연육을 진행할 경우 연육을 직관적으로는 관찰할 수 있으나, 닌히드 린 반응을 통한 정확한 확인을 위해서는 핏물을 뺀 고기가 사용되어야 한다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 예상대로 키위의 연육 작용이 가장 활발하였다.
○ 더욱 정확한 측정을 위해 다음과 같은 요소의 수정이 필요하다.
ㄱ. 과일의 신선도를 일정하게 유지하기 위한 방안을 마련해야 한다.
ㄴ. 고기 결의 차이를 통제하기 어렵다
ㄷ. 전단력 내구도 측정을 더욱 정확히 하기 위한 방안을 마련해야 한다.
ㄹ. 실제로 고기는 씹어서 먹기 때문에 압력에 대한 내구성 측정이 필요하다.
○ 레몬에서의 갈변 현상은 미오글로빈으로 인한 갈변 현상으로 추정된다.
□ 시사점
○ 다양한 과일을 사용하여 연육 작용을 할 수 있으며, 그 중에서도 키위를 사용한다면 부드러운 식감을 가진 고기를 만들 수 있을 것이다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 연구 측면에서의 개선
○ 성과발표회에서의 조언을 바탕으로 pH에 따른 연육 작용의 변화를 측정한다.
○ 연육 정도를 측정하기 위한 방법을 다양화한 연구를 진행한다.
□ 연구 결과의 활용
○ 연구 결과를 바탕으로 학생회를 통해 급식 개선을 촉구한다.
○ 결과를 정리한 포스터를 학교 게시판에 게시하여 연구 결과를 누구든 열람할 수 있도록 공유하고자 함.
○ 단백질 분해에 관한 탐구 보고서를 발간하고 비치하여 연구 성과를 전시함.
5. 참고문헌
강영희(2014), 생명과학 대사전, 도서출판 여초.
금속용어사전편찬위원회(2005), 금속 용어 사전, 성안당.
안용근(2017), 효소화학, 청문각.
이학일 외(2014), 물리화학실험, 계명대학교 출판부.
Barbara Brodsky And Anton V. Persikov(2005), Molecular Structure Of The Collagen Triple Helix, Advances In Protein Chemistry
※ 참고 사이트
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=737616&cid=42325&categoryId=42325 https://enzyme.expasy.org/
